Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của bảo vệ khoảng cách sử dụng phần mềm Aspen Oneliner

Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của bảo vệ khoảng cách sử dụng phần mềm Aspen Oneliner Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của bảo vệ khoảng cách sử dụng phần mềm Aspen Oneliner luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MÔ PHỎNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHÉP ĐO TỔNG TRỞ CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ASPEN ONELINER

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ:

TRẦN MINH DŨNG

Người hướng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG

HÀ NỘI 2009

Luận văn này được tác giả bắt đầu thực hiện từ khi chính thức được nhận

đề tài Ngoài ra, trước khi đăng ký và nhận đề tài, tác giả đã có một số thời gian thu thập tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau: sách, tạp chí, Internet, các tài liệu kỹ thuật của các đơn vị trong và ngoài Tập đoàn Điện lực Việt nam

Với những kết quả đạt được của luận văn, tác giả xin cam đoan đây là sản phẩm do chính tác giả thực hiện và hoàn thành

MỤC LỤC

TrangLời cam đoan

1.2 Các phương thức bảo vệ cơ bản và các loại rơle sử dụng 2

trên HTĐ miền Bắc

1.3 Quản lý vận hành và chỉnh định rơle bảo vệ trên HTĐ 3

Chương 2 - ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI RƠLE KHOẢNG CÁCH 6

ĐANG VẬN HÀNH TRÊN HTĐ MIỀN BẮC2.1 Nguyên lý làm việc 6

2.3 Cách thức tính toán và chỉnh định rơle bảo vệ 9

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách 13

2.4.1 Sai số của máy biến dòng và máy biến điện áp 13

2.4.2 Điện trở quá độ Rqđ tại chỗ ngắn mạch 14

2.5 Các phương thức truyền tín hiệu liên động trong bảo vệ 23

khoảng cách

2.6 Các loại rơle khoảng cách hiện đang sử dụng trên HTĐ 27

PHẦN MỀM ASPEN ONELINER

3.2 Giới thiệu chung về phần mềm ASPEN OneLiner 50 3.3 Phương pháp tính toán ngắn mạch trong ASPEN OneLiner 51 3.4 Mô phỏng các phần tử HTĐ trong phần mềm ASPEN OneLiner 52

3.5 Mô phỏng tính toán ngắn mạch trong ASPEN OneLiner 60 3.6 Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ ASPEN OneLiner 60 3.6.1 Các rơle quá dòng và khoảng cách có sẵn trong 61

bộ phần mềm ASPEN OneLiner 3.6.2 Mô phỏng các rơle quá dòng và khoảng cách trong bộ 61

phần mềm ASPEN OneLiner 3.6.3 Sơ đồ khối quá trình mô phỏng rơle khoảng cách 64

Chương 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ASPEN ONELINER ĐÁNH GIÁ 68

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHÉP ĐO TỔNG TRỞ TRONG RƠLE KHOẢNG CÁCH

4.3 Mô phỏng tính toán điện trở hồ quang

4.3.1 Sơ đồ khối tính toán điện trở hồ quang 71

4.3.3 Kết quả tính toán tổng trở rơle đo được 75 4.3.4 Ảnh hưởng của điện trở sự cố đất đến tổng trở rơle 82

đo được 4.4 Tính toán tổng trở rơle theo các phương án kết lưới của HTĐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ANSI American National Standards Viện tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ Institute

EVN Electricity of Vietnam Tập đoàn điện lực Việt Nam IEC International Electrotechnical Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế Commission

IEEE Institut of Electrical and Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tên bảng biểu Trang

Bảng 1.1 Các loại rơle sử dụng trên HTĐ miền Bắc 3Bảng 1.2 Thống kê rơle hư hỏng của các hãng rơle phổ biến 5Bảng 1.3 Thống kê tỉ lệ rơle hư hỏng của các hãng rơle 5Bảng 2.1 Khoảng cách tính toán theo cấp điện áp 15Bảng 2.2 Các loại rơle khoảng cách của các nhà sản xuất khác nhau 28Bảng 2.3 Các giá trị dòng điện và điện áp sử dụng trong 33

xác định hướngBảng 4.1 Thông số các đường dây 220kV trong khu vực tính toán 69Bảng 4.2 Thông số tổng trở đơn vị một số loại dây của 69

đường dây 220kVBảng 4.3 Các loại rơle khoảng cách trang bị cho các 70

đường dây 220kVBảng 4.4 Điện trở hồ quang với các dạng sự cố và các vị trí 75

sự cố khác nhau Bảng 4.5 Tổng trở rơle đo tại đầu Tràng Bạch với các dạng 77

và vị trí sự cốBảng 4.6 Tổng trở rơle đo tại Tràng Bạch theo các mạch vòng 77

sự cố 2 pha đất (2LG)Bảng 4.7 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-pha, PA1 84Bảng 4.8 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-đất, PA1 85Bảng 4.9 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-pha, PA2 86Bảng 4.10 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-đất, PA2 86Bảng 4.11 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-pha, PA3 86Bảng 4.12 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch khi sự cố pha-đất, PA3 87

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình vẽ Trang

Hình 2.2 Những đặc tính khởi động tổng trở thường gặp 9Hình 2.3 Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian giữa 3 vùng 10

tác động của bảo vệ khoảng cáchHình 2.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện KI đến đo lường 16

tổng trở trong rơle khoảng cáchHình 2.5 Sự thay đổi của tổng trở đo được của rơle khi có 18

dao động điện

Hình 2.7 Điện kháng đo đầu đường dây phụ thuộc dung lượng bù 21

Hình 2.8 Bảo vệ khoảng cách trên đường dây có tụ bù dọc 22

Hình 2.10 Sơ đồ truyền tín hiệu mở rộng vùng I 25

Hình 2.12 Cấu trúc phần cứng của rơle kỹ thuật số 7SA522 29

Hình 2.22 Đặc tính tác động đa giác của rơle 7SA522 V4.2 39Hình 2.23 Đặc tính đa giác của rơle P441, P442, P444 40Hình 2.24 Đặc tính tổng trở của rơle P443, P445 42

Hình 2.29 Đặc tính đa giác của rơle REL511, REL521 48Hình 3.1 Thành phần thứ tự thuận, nghịch, không của máy phát 53Hình 3.2 Thành phần thứ tự thuận, nghịch, không của đường dây 54

Hình 3.7 Lựa chọn tham số đặc tính quá dòng trong ASPEN 63

Hình 4.2 Sơ đồ khối tính toán mô phỏng điện trở hồ quang 72Hình 4.3 Quan hệ điện trở hồ quang theo vị trí sự cố và các dạng 76

sự cốHình 4.4 Tổng trở rơle theo từng mạch vòng đo lường với 78

sự cố 2 pha-đất

Hình 4.5 Quan hệ tổng trở rơle đo theo vị trí sự cố và các dạng sự cố 79Hình 4.6 Điện trở hồ quang theo vị trí sự cố, dạng sự cố và 80

điện trở đấtHình 4.7 Điện trở hồ quang theo vị trí sự cố, dạng sự cố và 81

điện trở đất

Hình 4.10 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch theo kết lưới 88

và vị trí sự cố pha-phaHình 4.11 Tổng trở đo tại đầu Tràng Bạch theo kết lưới 89

và vị trí sự cố pha-đấtHình 4.12 Phân bố dòng điện khi sự cố pha-pha trên đường dây 90

Hoành Bồ-Quảng Ninh (PA1)Hình 4.13 Phân bố dòng điện khi sự cố pha-đất trên đường dây 92

Hoành Bồ-Quảng Ninh (PA1)Hình 4.14 Tác động của rơle khoảng cách khi sự cố pha-pha 95

tại 80% đường dây Tràng Bạch - Hoành BồPhân bố dòng điện khi sự cố pha-pha tại 80%

Trong lưới điện truyền tải của HTĐ Việt nam nói chung và HTĐ miền Bắc nói riêng, bảo vệ khoảng cách đóng vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc an toàn, tin cậy, nhanh, chọn lọc của hệ thống rơle bảo vệ Tất cả các đường dây truyền tải 220kV, 110kV hiện nay trên HTĐ miền Bắc đều được trang bị ít nhất một bộ bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ chính cho đường dây Những nghiên cứu về tính năng, nguyên lý hoạt động, cách thức vận hành của bảo vệ khoảng cách đã được đề cập nhiều ở các tài liệu trong và ngoài nước Tuy nhiên, thực tế sử dụng rơle khoảng cách cho thấy còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu trong đó có các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở, sử dụng các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng các ảnh hưởng này và kiểm tra tính chọn lọc của các rơle trong HTĐ

Phần mềm ASPEN OneLiner sử dụng trong các đơn vị thuộc EVN với các ứng dụng đồ họa cho phép người dùng mô phỏng một cách trực quan các dạng sự cố từ đơn giản đến phức tạp, các đường đặc tính của rơle, theo dõi và đánh giá sự tác động của các loại rơle khoảng cách khác nhau trên toàn HTĐ, nhanh chóng phát hiện sự làm việc không chọn lọc của bảo vệ để có hiệu chỉnh kịp thời, tránh sai sót có thể xảy ra trong quá trình tính toán

Vì vậy, tác giả đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của bảo vệ khoảng cách sử dụng phần mềm ASPEN OneLiner” nhằm đánh giá sự làm việc của rơle khoảng cách

hiện có trên HTĐ với các yếu tố ảnh hưởng như hiện tượng phân dòng, điện trở hồ quang Qua đó đề xuất và kiến nghị các giải pháp để nâng cao hơn nữa

sự vận hành tin cậy, chọn lọc cho hệ thống rơle bảo vệ trên HTĐ

Luận văn được chia thành 4 chương với những nội dung chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ trên HTĐ miền Bắc

- Chương 3: Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng phần mềm ASPEN

OneLiner

- Chương 4: Ứng dụng phần mềm ASPEN OneLiner đánh giá các yếu tố

ảnh hưởng đến phép đo tổng trở trong rơle khoảng cách

Qua luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới VS.GS TSKH Trần Đình Long đã hướng dẫn tận tình với những góp ý, nhận xét sâu sắc để tác giả có thể hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những người bạn trong và ngoài nước đã nhiệt tình cung cấp, trao đổi các tài liệu, sách báo mới nhất liên quan đến đề tài nghiên cứu, cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Trung tâm Điều

độ HTĐ miền Bắc-nơi tác giả đang công tác và gia đình đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tác giả có đủ thời gian yên tĩnh để hoàn thành bản luận văn này

Tác giả rất mong tiếp tục nhận được các ý kiến trao đổi để có thể hoàn thiện hơn các kết quả nghiên cứu

Trân trọng /

Tác giả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ

TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC

1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC

Hệ thống điện (HTĐ) miền Bắc là một bộ phận cấu thành của HTĐ Quốc gia, liên kết với các HTĐ miền Trung, miền Nam qua đường dây siêu cao áp 500kV Ngoài hệ thống các nhà máy điện (NMĐ) (thuỷ điện, nhiệt điện, điêzen ) trong miền, HTĐ miền Bắc được lấy nguồn từ đường dây 500kV tại trạm biến áp (TBA) 500kV Hà Tĩnh, nguồn điện cấp từ Trung Quốc (phía 220kV từ TBA 220kV Lào Cai, Hà Giang, phía 110kV từ các TBA 110kV Lào Cai, Hà Giang, Móng Cái) Tổng công suất các nguồn điện cấp cho phụ tải miền Bắc khoảng 5600MW

Lưới truyền tải 500kV, 220kV trải rộng khắp trên các vùng đồng bằng, miền núi, trung du, miền biển, có kết cấu mạch vòng cho phép hỗ trợ từ nhiều nguồn khác nhau, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Lưới điện 110kV vừa có mạch vòng (kết nối các NMĐ cấp điện áp 110kV và phía 110kV của một số TBA 220kV quan trọng), vừa có hình tia (cấp điện cho các phụ tải riêng biệt) HTĐ miền Bắc hiện nay bao gồm 26 TBA 220kV (tổng công suất lắp đặt khoảng 6700MVA) và 198 TBA 110kV (tổng công suất lắp đặt khoảng 9500 MVA)

Phụ tải bao gồm các hộ tiêu thụ công nghiệp (45.2%), sinh hoạt (44.5%), kinh doanh, dịch vụ (5%), nông nghiệp (1.3%) và các ngành khác (4%) Công suất phụ tải vào cao điểm khoảng 5300-5500 MW

Như vậy, HTĐ miền Bắc khá đa dạng, trải trên diện rộng với địa hình khác nhau và có các kết cấu nguồn, lưới điện phức tạp Với đặc điểm đó, việc

xây dựng một hệ thống rơle bảo vệ đảm bảo độ tin cậy, chọn lọc, hiện đại luôn là vấn đề được đặt ra và đòi hỏi quá trình nghiên cứu, kiểm tra, giám sát liên tục để phát hiện sớm nhất những nguy cơ tiềm ẩn sự cố có thể xảy ra bất

cứ lúc nào trên HTĐ

1.2 CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CƠ BẢN VÀ CÁC LOẠI RƠLE

SỬ DỤNG TRÊN HTĐ MIỀN BẮC

1.2.1 Các phương thức bảo vệ cơ bản

Trên lưới điện truyền tải hiện nay, các đối tượng bảo vệ chủ yếu là máy biến áp (MBA), đường dây 220kV, 110kV và thanh cái Trong phạm vi đồ án- nghiên cứu về bảo vệ khoảng cách- chúng ta chỉ xem xét các phương thức bảo

vệ cơ bản cho các đường dây trên HTĐ miền Bắc

Hiện nay, các đường dây 220kV, 110kV được trang bị bảo vệ theo nhiều phương thức khác nhau, bao gồm:

- Một bảo vệ khoảng cách và một bảo vệ quá dòng có hướng (chủ yếu lưới điện 110kV và một số đường dây 220kV trước đây)

- Hai bảo vệ khoảng cách làm việc song song

- Hai bảo vệ khoảng cách và một bảo vệ quá dòng có hướng

- Một bảo vệ so lệch và một bảo vệ khoảng cách

- Một bảo vệ so lệch, một bảo vệ khoảng cách và một bảo vệ quá dòng có hướng

Các phương thức từ thứ hai trở đi chủ yếu sử dụng bảo vệ cho đường dây 220kV, trong đó phương thức sử dụng - một bảo vệ so lệch, một bảo vệ khoảng cách và một bảo vệ quá dòng có hướng- đang được sử dụng phổ biến với các công trình mới đưa vào vận hành do tính tác động nhanh, khả năng bảo vệ đa dạng, bảo vệ được đầy đủ các dạng sự cố và dự phòng cao cho nhau

Với các rơle kỹ thuật số, nhiều chức năng bảo vệ cùng được tích hợp trong rơle, Tập đoàn điện lực Việt nam (EVN) quy định cụ thể các sơ đồ phương thức bảo vệ khác nhau cho đường dây truyền tải và phù hợp với kênh truyền thông tin (xem [5] và phụ lục 1)

1.2.2 Các loại rơle sử dụng trên HTĐ miền Bắc

Việc thiết kế, chế tạo, ứng dụng của các loại rơle bảo vệ đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, từ các loại rơle cơ đến rơle tĩnh và ngày nay là rơle kỹ thuật số Với nhiều ưu điểm vượt trội, rơle kỹ thuật số đã được trang

bị để bảo vệ cho các thiết bị điện trên HTĐ Việt nam hiện nay, thay thế cho các loại rơle cơ, rơle tĩnh trước kia, hoặc nếu còn tồn tại (rất ít), rơle cơ cũng chỉ được sử dụng với mục đích dự phòng

Hiện nay, hệ thống rơle bảo vệ trên HTĐ miền Bắc phần lớn sử dụng các loại rơle do 4 nhà sản xuất chính: SIEMENS, ABB, AREVA, SEL Ngoài ra còn một số hãng rơle khác như Toshiba, Nari

Bảng 1.1 Các loại rơle sử dụng trên HTĐ miền Bắc

Loại rơle Hãng

SIEMENS 7SA511, 513, 7SA522, 61x 7SJ511, 512, 600, 61/62 7UT512, 513, 613 7SS52, 7SS601

ABB REL100, 511, 521, 531

SPAJ140C, 141C SPAA341, 348 SPAS348C, REF 54x

RET316, RET521 SPAD 346C, RADSB, REL 551,

561 PD551 PS431, 441, 451 PQ721, 731 MCAG 34

EPAC300 P44x, P43x

KCGG140,142 KCEG140 P12x, P141

LFCB102 KBCH120,130,140 P63x, P54x SEPAM1000 SEL SEL321, 311C SEL351, SEL551 SEL387

Các TBA 220kV có thể được trang bị các loại rơle cùng loại hoặc khác nhau do quá trình cải tạo, nâng cấp thiết bị Tuy nhiên, có một số TBA sử dụng đồng thời rơle của nhiều hãng đã gây khó khăn trong quá trình quản lý, vận hành và tự động điều khiển trạm (xem thống kê chi tiết các loại rơle bảo

số chỉnh định rơle bảo vệ phù hợp với những thay đổi kết dây trên HTĐ Trị

số chỉnh định rơle do cấp điều độ ban hành được thể hiện dưới dạng các phiếu chỉnh định, lưu tại điều độ và các đơn vị quản lý

Khi một đường dây hoặc TBA chuẩn bị đưa vào vận hành, cần tiến hành tính toán trị số rơle bảo vệ của các thiết bị mới, đồng thời kiểm tra lại sự làm việc của rơle bảo vệ tại các thiết bị liên quan Điều này được thực hiện bằng các phần mềm tính toán: PSS/E, ASPEN Trong đó, ASPEN là phần mềm chuyên dụng cho phép mô phỏng đầy đủ các loại rơle trên HTĐ với các loại

sự cố và chế độ làm việc không đối xứng khác nhau

Theo thống kê tình trạng làm việc của rơle bảo vệ với các hãng khác nhau (xem bảng 1.2 và 1.3), tỉ lệ hư hỏng phải thay mới rơle của AREVA lớn nhất (4.86%) Tỉ lệ hư hỏng rơle của AREVA trên tổng số rơle sử dụng cũng lớn nhất (7.4%)

Các lỗi thường gặp của rơle như: hư hỏng khối nguồn, tác động sai hay làm việc không ổn định tập trung chủ yếu vào nhóm rơle của AREVA; màn hình mờ, hư hỏng bàn phím, hư hỏng modul nhị phân đầu vào, hư hỏng khối

đo lường, đèn block sáng đỏ thường gặp đối với rơle của SIEMENS; hư hỏng nội bộ, hư hỏng tiếp điểm đầu ra thường gặp đối với rơle của ABB

Bảng 1.2 Thống kê rơle hư hỏng của các hãng rơle phổ biến

Hãng

Tổng số rơle sử dụng

Số lượng

hư hỏng thoáng qua

Số lượng

hư hỏng sửa chữa được

Số lượng

hư hỏng phải thay mới

Tỉ lệ hư hỏng sửa chữa được

Tỉ lệ hư hỏng phải thay mới

Tỉ lệ hư hỏng (trên tổng số sử dụng của từng hãng)

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI RƠLE KHOẢNG CÁCH

ĐANG VẬN HÀNH TRÊN HTĐ MIỀN BẮC

2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Các nghiên cứu về ứng dụng của bảo vệ quá dòng trong hệ thống lưới điện truyền tải đã khẳng định rằng: trong nhiều trường hợp, ngay cả sử dụng bảo vệ quá dòng có hướng, tính chọn lọc và độ nhạy của bảo vệ quá dòng cũng gặp rất nhiều khó khăn và nhiều khi không thể thực hiện được Khi đó, bảo vệ khoảng cách là một trong những giải pháp hữu hiệu được sử dụng để bảo vệ hệ thống điện

Bảo vệ khoảng cách làm việc dựa trên nguyên lý đo lường tổng trở thông qua tính toán tỉ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đặt rơle Có nhiều phương pháp đo lường tổng trở khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu rơle định thiết

trong đó: ZLo = tổng trở đơn vị của đường dây AB (Ohm/km)

Rơle sẽ tính toán được tổng trở là tỉ số giữa giá trị điện áp và dòng điện đo lường:

ZR = VR/IR = l.ZLo (2.2) Giá trị tổng trở đo được tỉ lệ với khoảng cách từ vị trí sự cố tới điểm đặt rơle Vì vậy, rơle đo lường tổng trở còn được gọi là rơle khoảng cách

Giả sử ls là vùng đường dây cần bảo vệ

Rơle khoảng cách sẽ làm việc với các điểm sự cố có l ≤ ls (2.3) hay là : ZR ≤ ZRs = ls.ZLo (2.4) Như vậy, bảo vệ khoảng cách có thể làm việc hoàn toàn chọn lọc, không phụ thuộc vào chế độ và cấu trúc của hệ thống điện (một hay nhiều máy phát làm việc, tình trạng đóng cắt của các đường dây khác )

Trong rơle khoảng cách, tổng trở đo lường thường được biểu diễn dưới dạng vectơ trên mặt phẳng phức, trục tung là trục điện kháng jX, trục hoành là trục điện trở R (hình 2.1,b)

Tổng trở đường dây ZAB = RAB + jXAB là vectơ nghiêng so với trục hoành một góc phụ thuộc tương quan giữa điện kháng XAB và điện trở RAB, ta có:

Khi ngắn mạch qua điện trở quá độ Rqđ (thường là tổng điện trở hồ quang

Rhq phát sinh tại chỗ ngắn mạch và điện trở của mạch vòng đất Rđ):

và tổng trở đo được:

ZAN = RAN + jXAN + Rqđ (2.8) Tổng trở này có trị số lớn hơn nhưng góc nghiêng của vectơ tổng trở giảm

đi (hình 2.1,b)

Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc không thời gian, để tránh tác động nhầm khi có ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bộ phận khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở đường dây:

Trong thực tế, đặc tính tác động của rơle khoảng cách được sử dụng trong

hệ thống điện rất đa dạng (hình 2.2) nhằm đáp ứng tốt hơn điều kiện vận hành

của hệ thống

2.3 CÁCH THỨC TÍNH TOÁN VÀ CHỈNH ĐỊNH RƠLE BẢO VỆ

Rơle khoảng cách dùng để bảo vệ đường dây tải điện thường có nhiều

vùng tác động và nhiều hướng tác động khác nhau ( hướng thuận, hướng

Hình 2.2 Những đặc tính khởi động tổng trở thường gặp a) Tổng trở không hướng; b)Vòng tròn qua gốc (MHO); c)Vòng tròn lệch tâm (offset MHO); d) Dạng thấu kính; e) và g) Đặc tính tứ giác

ngh ch hoặc không hướng)

ường, bảo vệ khoảng cách gồm 3 vùng khởi động, hướng thuận

ng từ thanh cái ra đường dây) (hình 2.3)

AB at

I

Hình 2.3 Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian giữa

3 vùng tác động của bảo vệ khoảng cách a) Sơ đồ lưới điện

b) Phối hợp tổng trở và thời gian giữa các vùng

Trong đó, hệ số an toàn kat = 0,8 ÷ 0,9 có xét đến sai số của các mạch đo lường (biến dòng điện, biến điện áp), của bản thân rơle và của việc xác định thông số tổng trở, chiều dài của đường dây AB

Vùng II: bao trùm hết chiều dài đường dây được bảo vệ và dự phòng cho bảo vệ vùng I của đường dây tiếp theo:

tiếp theo

chọn lọc giữa hai đường dây liền kề

Bậc thời gian Δt chọn theo điều kiện đảm bảo chọn lọc = (0,3 ÷ 0,5) s

Δt = 0,5 đối với rơle điện cơ và Δt = 0,3 ÷ 0,35 đối với rơle số

Nếu từ thanh cái cuối đường dây AB có nhiều đường dây ra, đường dây

có chiều dài ngắn nhất được chọn để phối hợp với tổng trở vùng II của đường dây AB đang xét

đảm bảo độ nhạy khi sự cố trên thanh góp cuối đường dây

Vùng III: bao trùm hết chiều dài đường dây tiếp theo và dự phòng cho bảo

vệ v

)ZZ

.(

k

B AB at

II

I B

Z

II A

Z

ùng I của đường dây liền kề tiếp theo:

.k

để đảm bảo phối hợp chọn lọc giữa hai đường dây liền kề

Nếu từ thanh cái cuối đường dây AB có nhiều đường dây ra, đường dây

có chiều dài lớn nhất được chọn để phối hợp với tổng trở vùng III của đường dây AB đang xét

được tính theo tổng trở làm việc nhỏ nhất:

Ngoài ra, trong một số tài liệu [8], tổng trở khởi động vùng III cũng có thể

tv mm tc

min lv III

I

3

min lv min

ent), do đó các giá trị đặt của rơle càng không phụ thuộc vào các chế độ tải

Thời gian tác động của bảo vệ vùng III: tIII ≥ (tII

ới trục điện R trong khi góc tổng trở đường dây thường lớn hơn 60 và các rơle được định hướng theo góc này hoặc theo trục đ

o trục R Ngoài ra, trong rơle số thường có thêm chức năng khóa rơle trong vùng xâm lấn của tải (load encroachm

trong đó, nI = tỉ số biến dòng điện đầu vào rơle

nU = tỉ số biến điện áp đầu vào rơle

n lượt xem xét cụ thể các nh hưởng đó trong phần d

1 Sai số của máy biến dòng và máy biến điện áp

Giả thiết bộ phận đo lường tổng trở được đấu vào điện áp pha và dòng điện pha (hoặc điện áp dây và hiệu số các dòng điện pha tương ứng)

Tổng trở đo được “trên cực” của rơle bằng:

I

U.n

nn

I/n

UI

UZ

U

I I U R

g điện phía sơ cấp

iện và biến điện

áp

và máy biến điện áp (co

trong đó: U, I – tương ứng là điện áp và dòn

nI, nU – tương ứng là tỉ số biến đổi của máy biến dòng đ

Trong trường hợp bỏ qua sai số của máy biến dòng

i như lý tưởng), các hệ số nI, nU bằng hằng số và:

constn

Trong trường hợp có sai số của máy biến dòng điện và biến điện áp

được từ rơle không phản ánh đúng giá trị tổng trở sự cố thực tế

2.4.2 Điện trở quá độ R tại chỗ ngắn mạch qđ

ại) mà thông qua điện trở trung gian (vật lạ rơi vào đường dây gây

khoảng

Chẳng hạn khi ngắn mạch xảy ra ở cuối vùng I nhưng do điện trở sự cố, rơle

ngắn mạch hoặc hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch)

Điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch làm tăng trị số tổng trở đo được (2.8)

và giảm góc pha của vectơ tổng trở (hình 2.2) Điều này làm cho rơle

mL

[ ] [ ] [ ]kAI

m/kV2.m

[ ]

min N

-với sự cố pha-pha: S – khoảng cách tương đương giữa cá

3 l AB.l BC.l CA

HTĐ, S có các giá trị cụ thể

-với sự cố pha-đất: S – khoảng cách giữa pha và đất (m) = chiều dài chuỗi sứ cách điện

Theo thiết kế các đường dây thực tế hiện nay trên

như sau:

Bảng 2.1 Khoảng cách tính toán theo cấp điện áp

Khoảng cách S (m) Cấp điện áp (kV)

220 8 3

110 5 1.8 Dòng ngắn mạch được xác định bằng các chương trình tính toán ngắn mạc

h tại các vị trí khác nhau (tùy theo vùng đặt cấp I, II hay III) và các dạng

sự cố pha-pha, pha-đất tương ứng c

3 Hệ số phân bố dòng điện

n chạy qua chỗ đặt rơle và dòng đường dây có sự cố)

ơle khoảng cách đặt ở đầu A c

a rực tiếp trên đường dây

BN AB AB

A AB

A R

R

I

UI

AB AB BN

B U& I& Z& +

=

+

=

BN I AB

&

&

= - hệ số phân bố dòng

i hệ số phân bố dòng KI ≠ 1, tổng trở đo được khác với tổng trở thực tế

từ chỗ đặt bảo vệ đế Z&AN =Z&AB +Z&BN

Xét 2 trường hợp điển hình như hình 2.4 sau:

ZAN

1

AB

BN I

Z<

1

BN I

ố phân bố dòng

2.4.

Dao động điện là một chế độ làm việc không bình thường của hệ thống

bảo vệ có biên độ và góc pha thay đổi liên tục theo chu kỳ dao động Ở gần tâm dao động, khi góc lệch pha giữa sức điện động của hai hệ thống hai đầu

đường dây [1]

Sự thay đổi tổng trở do rơle đo được có thể minh họa trên hình 2.5

Trên hình 2.5,b, gốc tọa độ của mặt phẳng phức trùng với vị trí đặt của bảo vệ khoảng cách tại thanh cái A

Khi hệ thống bị dao động với giả thiết

ảng cách chỉ được chỉnh định với 3 vùng tác động, trong đó, vùng II và vùng III chịu ảnh hưởng mạnh của hệ s

4 Ảnh hưởng của dao động điện

B

E& = & , đầu mút của vectơ tổng

vectơ tổng trở sẽ ngược lại

Dao động điện là chế độ không bình thường của hệ thống trong quá trình quá độ nên không cho phép bảo vệ khoảng cách tác động (cần phải khóa bảo

a) A

Hình 2.5 Sự thay đổi của tổng trở đo được của rơle khi có dao động điện

270o

-jX-R

B

E& < &

B E&

ZIkđA

180o

90o

Hình 2.6 Phát hiện dao động điện

tổng trở có đặc tính vòng tròn; d) Bằng 2 rơle tổng trở có đặc tính đa giác

ZN

ngắn mạch

ZN

tdao động

hữu hạn

trượt ωs, còn khi ngắn mạch, hầu như các đại lượng này biến thiên tức thời (xem hình 2.6,a và 2.6,b)

-khi dao động, các đạo hàm này có trị số hữu hạn

Trong sơ đồ bảo vệ khoảng cách, có thể sử dụng hai rơle tổng trở có đặc tính vòng tròn (xem hình 2.6,c) hoặc đa giác (xem hình 2.6,d) với tổng trở đặt khởi động khác nhau

Khi ngắn mạch, tổng trở sự cố đi vào ngay vùng tác động của cả hai vùng

dao động, thoạt đầu rơi vào vùng khởi động 1 (vùng ngoài) sau đó mới tiến vào vùng khởi động 2 (vùng trong)

2.4.5 Ảnh hưởng của tụ bù dọc đường dây

Tụ bù dọc đặt nối tiếp với đường dây cho phép bù một phần điện kháng của đường dây, do vậy nâng cao giới hạn ổn định, tăng khả năng truyền tải công suất và khả năng điều chỉnh điện áp dọc theo chiều dài đường dây theo các chế độ tải công suất khác nhau Tụ bù dọc thường được sử dụng đối với các đường dây truyền tải dài, điện áp cao 220kV, 500kV hoặc cao hơn

hệ số bù khoảng 50-70% cảm kháng đường dây và đặt tụ bù dọc ở đầu đường dây, gần các trạm biến áp để thuận tiện cho việc lắp đặt, quản lý vận hành Tuy nhiên, sự xuất hiện của tụ bù dọc ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình đo lường tổng trở và xác định hướng trong rơle khoảng cách

Giá trị này phụ thuộc vào vị trí lắp đặt và dung lượng của tụ (hình 2.7)

ần thanh cái phụ thuộc vào vị trí của biến dòng và biến điện áp đầu vào

rơle Hình vẽ 2.8 mô tả phản ứng của rơle khoảng cách tại đường dây có bù

dọc và các đường dây lân cận Khi sự cố tại N1 gần tụ, rơle tại 1 đo tổng trở

nằm ngoài vùng tác động Ngược lại, rơle tại 3 bảo vệ đường dây trước đó có

Ngoài ra, việc sử dụng tụ bù dọc trên đường dây cũng gây ra các hiện

tượng vật lý khác biệt, cần được nghiên cứu kỹ lưỡng trong thiết kế rơle bảo

vệ Các hiện tượng này bao gồm: sự đảo chiều của dòng điện và điện áp khi

sự cố, dao động tần số thấp [14], [15]

Để ngăn chặn sự tác động sai của bảo vệ khoảng cách, thường dùng

phương pháp nối tắt bộ tụ (bypass) khi xảy ra ngắn mạch và đặt vùng 1 của

bảo vệ khoảng cách tác động với thời gian trễ 0,1 ÷ 0,15s Giá trị tổng trở

vùng 1 phải tính đến bù điện kháng của tụ bù dọc (vùng bảo vệ giảm đi so với

ng hợp đường dây không có tụ) và hệ số an toàn do ảnh hưởng của quá

trình dao động tần số thấp khi sự cố (phụ thuộc vào mức độ bù của tụ) [15]

Tuy nhiên, việc đặt trễ thời gian của bảo vệ khoảng cách cấp 1 ảnh hưởng đến

tính tác động nhanh của bảo vệ Đồng thời, vùng tác động cấp 1 cũng bị giảm

Các bộ tụ bù dọc hiện đại thường sử dụng hệ thống bảo vệ bộ tụ bằng điện trở phi tuyến (MOV), khe hở phóng điện và máy cắt điện đấu song song với

bộ tụ Tuỳ theo vị trí sự cố ngắn mạch và thời gian tồn tại sự cố, các thiết bị này sẽ làm việc và nối tắt tụ

Các nguyên lý bảo vệ khác như so lệch dòng điện, so sánh pha, truyền tín hiệu trong bảo vệ khoảng cách không chịu ảnh hưởng của bù dọc và có thể được sử dụng làm bảo vệ chính song song với bảo vệ khoảng cách

2.5 CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN TÍN HIỆU LIÊN ĐỘNG TRONG BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

Vùng I của bảo vệ quá dòng chỉ bảo vệ được khoảng 80÷85% chiều dài đường dây với thời gian loại trừ ngắn mạch 0 s Đoạn 15÷20% cuối đường dây nếu có sự cố sẽ được loại trừ ngắn mạch với thời gian 0.3÷0.5 s Để giảm thời gian cắt với các sự cố xảy ra trong vùng gần thanh cái đối diện, người ta thường dùng phương pháp truyền tín hiệu liên động giữa bảo vệ khoảng cách

ở hai đầu đường dây [48] Thường dùng các phương pháp sau:

tại N, bộ phận khởi động Zkđ và khoảng cách vùng I ZAI cùng tác động qua khâu lôgíc

2.5.1 Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép cắt

Vùng I của bảo vệ khoảng cách ở cả hai đầu đường dây đều được chỉnh định khoảng 80÷85% chiều dài đường dây (hình 2.9) Khi ngắn mạch trong khoảng 15÷20% đường dây gần đầu A, rơle tại A sẽ tác động cắt máy cắt A với thời gian 0 s Bình thường, máy cắt đầu B sẽ cắt với tín hiệu khoảng cách cấp II Tuy nhiên, với phương thức truyền tín hiệu cho phép cắt (hình vẽ ), khi ngắn mạch

VÀ (&) gửi tín hiệu cắt tức thời máy cắt A, đồng thời

tin từ A đến B (khoảng 10÷40ms)

I

truyền tín hiệu cho phép cắt

tín hiệu cho phép cắt sang đầu B Tín hiệu cho phép này kết hợp mạch

VÀ với tín hiệu khởi động của rơle khoảng cách đầu B sẽ gửi đi cắt máy cắt tại B Thời gian cắt tại B chậm hơn tại A một khoảng đúng bằng thời gian truyền tín hiệu theo kênh thông

2.5.2 Sơ đồ truyền tín hiệu mở rộng vùng

Bình thường, vùng I của bảo vệ khoảng cách ở cả hai đầu đường dây đều được chỉnh định khoảng 80÷85% chiều dài đường dây Khi ngắn mạch gần đầu A (trong vùng II của bảo vệ khoảng cách đầu B), rơle tại A sẽ tác động cắt máy cắt A với thời gian 0 s, đồng thời gửi tín hiệu mở rộng vùng I sang đầu B (hình 2.10) Khi nhận được tín hiệu này, rơle khoảng cách đầu B sẽ thay đổi đại lượng đặt, mở rộng vùng I ra khoảng 130% chiều dài đường dây

và sẽ cắt máy cắt B với thời gian vùng I (0 s) Thời gian cắt tại B chậm hơn

tại A một khoảng đúng bằng thời gian truyền tín hiệu theo kênh thông tin từ A đến B (khoảng 10÷40ms) và thời gian chuyển đổi mở rộng vùng I của rơle B

2.5.3 Sơ đồ so sánh hướng

Có hai loại sơ đồ so sánh hướng:

đồ truyền tín hiệu khóa

2.5.

Hình 2.10 Sơ đồ truyền tín hiệu mở rộng vùng I

3.1 Sơ đồ truyền tín hiệu khóa

Trong sơ đồ truyền tín hiệu khóa (hình 2.11), vùng I của bảo vệ hai đầu đường dây đều được chỉnh định quá chiều dài của đường dây được bảo vệ Để ngăn chặn tác động mất chọn lọc khi có ngắn mạch trên đầu đường dây đoạn tiếp theo, người ta dùng tín hiệu khóa Khi có ngắn mạch tại N, phía sau của bảo vệ khoảng cách tại A nhưng nằm trong vùng I mở rộng của bảo vệ B, người ta dùng rơle tổng trở hướng ngược ZR với thời gian làm việc tR chọn

theo điều kiện tI < tR < tII gửi tín hiệu khóa thông qua kênh truyền tín hiệu để

mở tiếp điểm của rơle khóa RK của mạch cắt máy cắt B Như vậy, RZB không thể tác động cắt máy cắt đầu B khi có ngắn mạch tại N

ỗ dây dẫn bị sự cố nên độ tin cậy của việc truy

h 2.11 Sơ đồ truyền tín hiệu khóa

hởi động b, Đặc tính thời gian

Ư điểm của sơ đồ này là khi dùn

hiệu khóa không phải truyền qua ch

ền tín hiệu cao hơn

Một phương án khác của sơ đồ truyền tín hiệu khóa là vùng I của bảo vệ hai đầu đường dây lúc đầu được chỉnh định bình thường, sau đó tự động tăng lên đến 130% chiều dài đường dây sau một khoảng thời gian ngắn nếu không nhận được tín hiệu khóa từ phía đầu đối diện Cách này cho phép loại trừ sự

cố trên toàn bộ chiều dài đường dây với thời gian nhỏ hơn cấp II khá nhiều

t

RK

2.5.3.2 Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép

Trong sơ đồ truyền tín hiệu khóa, vùng I của bảo vệ hai đầu đường dây đều được chỉnh định khoảng 130% chiều dài của đường dây được bảo vệ Tín hiệu cắt của máy cắt chỉ được gửi đi khi vùng I của cả hai bảo vệ hai đầu đường dây khởi động đồng thời (nghĩa là chỉ có ngắn mạch trên bản thân đường dây được bảo vệ) Khi ấy hướng công suất ngắn mạch là hướng thuận của các bảo vệ khoảng cách vùng I Nguyên lý này sẽ không làm việc nếu kênh truyền tín hiệu cho phép bị hỏng hoặc dòng điện ngắn mạch từ một đầu nào đó chạy đến điểm sự cố (khi ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ) bé hơn trị số dòng điện khởi động nhỏ nhất của bảo vệ khoảng cách Trong trường hợp này, sau một khoảng thời gian nào đó, nếu không nhận được tín hiệu cho phép từ đầu đối diện, bảo vệ cũng phải tác động cắt máy cắt Sơ đồ này thường dùng với đường dây có tụ bù dọc

2.6 CÁC LOẠI RƠLE KHOẢNG CÁCH HIỆN ĐANG SỬ DỤNG TRÊN HTĐ MIỀN BẮC

Việc thiết kế, chế tạo, ứng dụng của các loại rơle bảo vệ đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, từ các loại rơle cơ đến rơle tĩnh và ngày nay là rơle kỹ thuật số Với nhiều ưu điểm vượt trội, rơle kỹ thuật số đã được trang

bị đ

c đích dự phòng

ể bảo vệ cho các thiết bị điện trên HTĐ Việt nam hiện nay, thay thế cho các loại rơle cơ, rơle tĩnh trước kia, hoặc nếu còn tồn tại (rất ít), rơle cơ cũng chỉ được sử dụng với mụ

Hiện nay, trên hệ thống điện miền Bắc sử dụng khá nhiều các loại rơle bảo vệ khoảng cách khác nhau và của các nhà sản xuất khác nhau (bảng 2.1)

Về mặt kỹ thuật, việc sử dụng các loại bảo vệ khác nhau như vậy cho phép nâng cao độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ, cho phép so sánh hiệu quả sử dụng của các loại rơle đó trong thực tế